行业应用与交流 ｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ＣＯｍｍｕｎｉｃａｔｉＯｎｓ 《自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第９期 嵌入式Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ技术在水文数据监测系统中的应用 苗立江 ，梁岚珍 （１．新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐８３００４７；２．北京联合大学自动化学院，北京１００１０１） 摘要：通过结合嵌入式系统和ＧＰＲＳ技术，以水文数据的远程采集及传送为设计背景，设计了一个水文数据监测系统，提出了一种在 嵌入式系统下利用ＧＰＲＳ网络进行远程数据采集及传送的新方法，并对系统的硬件设计和软件设计进行了介绍。 关键词：ＧＰＲＳ技术；嵌入式系统；水文数据监测系统；远程数据采集 中图分类号：ＴＰ２７４．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—７２４１（２０１０）０９—００６７—０４ Ｇ ＰＲＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄａｔａ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ＭＩＡＯ Ｌｉ－ｊｉａｎｇ ，ＬＩＡＮＧ Ｌａｎ－ｚｈｅｎ２ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｒｕｍｕｑｉ ８３００４７ Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ＧＰＲＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｅｍｏｔｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｂｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ａ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｔ ｕｓｅｓ ＧＰＲＳ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｅｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＰＲＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ；ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｍｏｔｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ １ 引言 水文数据主要包括水的流速、流量、水位高度等， 这些数据的实时测报、预报，能够有效的对洪涝灾害作 出预警，起到抗洪减灾的作用。国际公认，有效的水文 预报在洪涝灾害中可以减少１０％－１５％的损失…。 由于水文监测站的设置比较分散，分布范围广，而 且很多监测站需要设置在恶劣的环境下，鉴于ＧＰＲＳ网 种新型的水文数据采集系统，使其有效的解决水文仪表 智能化的需求是很有价值的［２】【引。 ２水文数据监测系统的组成及工作原 理 络覆盖率高、传输特性好、实时性强、建设成本低、通 讯费用低等优势，通过ＧＰＲＳ网络进行数据传送，逐渐成 为水文数据传送所选择的通信方式之一，而且在水文上 Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ技术已经开始应用到传统的水文数据采集系统 中。但因传统水文数据采集系统大部分采用单片机开 发，在性能方面远不及ＡＲＭ，不能满足现代化智能仪表 的需求。所以将ＧＰＲＳ技术与嵌入式系统相结合开发一 图１ 水文数据监测系统的组成 收稿日期：２ ０１卜０ ３—２ ８ 《自动化技术与应用 ２０１１年第３０卷第９期 行业应用与交流 ｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 整个系统主要由监测中心、ＧＰＲＳ网络、监测站组 成。监测站以野外无人值守的方式工作，安装在河流、 串口ＵＡＲＴ１读取监测中心发出的命令；ＵＳＢ通过与Ｕ 盘连接对测量结果进行备份；ＪＴＡＧ用于仿真、烧写、调 水库的指定地点，监测中心与监测站通过ＧＰＲＳ网络保 持数据的实时交换。监测站测得的数据通过ＧＰＲＳ网络 能够实时传送到数据中心，同时通过ＧＰＲＳ网络接收并 执行监测中心发出的指令【引。如图１所示。 试程序；ＵＡＲＴ０用于调试系统。 ４ 水文数据监测系统的软件实现 通过搭建Ｌｉｎｕｘ操作系统平台，裁减去除不需要的 模块，添加所需的驱动，编译出所需的Ｌｉｎｕｘ内核。 ３ 水文数据监测系统的硬件实现 水文数据监测系统的硬件主要分为监测中心和监 测站两个部分。监测站主要由传感器、ＬＣＤ显示、ＡＲＭ ４．１水文数据监测系统流程图 水文数据监测系统总体操作流程主要有３个步骤： （１） 数据测量。监测中心通过ＧＰＲＳ网络唤醒监 测站并向监测站发出指令“测量”，当监测站检测到指 令后，在指定的时间内对信号进行采集。并将所测得的 处理器、ＧＰＲＳ数据传输单元等模块构成。监测中心 主要由计算机、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或者ＧＰＲＳ数据传输单元等构 成。系统整体结构框图如图２所示。 数据通过ＧＰＲＳ网络传送回监测中心，交给测量中心进 行处理分析。 图２ 水文数据监测系统系统整体结构框图 监测站中ＡＲＭ处理器选用三星公司的￥３Ｃ２４４０工 业级芯片，它是基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核，采用０．１ ３Ｕｍ ｃｍｏｓ标准单元和存储单元复合体，主要为手持设备所设 计。在嵌入式系统中实现了ＡＲＭ９２０Ｔ对外围设备的 整体调度。ＬＣＤ用于显示人机交互界面；采集到的信号 由ＧＰＩＯ接口的３口和１１口传送给ＡＲＭ处理器进行处 图３ 水文数据监测系统总体流程图 在测量数据时，为了保证测量结果的精确性。参与 计算的参数中，信号个数ｎ取为在设定时间内完整的信 号周期个数，测量时间Ｔ取为实际测量时间，即设定测 量时间内完成１１个完整信号周期的时间。 理；ＡＲＭ处理器将处理后得到的信号数和实际测量时 间通过串口ＵＡＲＴｌ传送给ＧＰＲＳ数据传输单元，并从 彳亍业应用与交流 ｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ （（自动化技术与应用》２０１１年第３０卷第９期 同时，为了更好的滤除毛刺，除了硬件上的滤波电 路，这里增加了软件滤波。采集到第一个信号下降沿后 按照经验取值延时５０ｍｓ，从第二个信号的下降沿开始， 采集到信号下降沿后，通过对上一个信号周期的记忆学 习，延时上一个信号周期的０．２５个周期。 的最小字符数 ＴｔｙＦｄ：ｏｌ￣ｎ（ＴｔｙＮａｍｅ，Ｏ ＲＤＷＲ Ｊ Ｏ ＮＤＥＩ ＡＹ，ｏ）， ＴｔｙＡｔｔｒ．ｃ＿ｃｆｌａｇ＝ＴｔｙＳｐｅｅｄ Ｉ ＨＵＰＣＬ Ｉ ＢｙｔｅＢｉｔｓ ｌ ＣＲＥＡＤ Ｉ ＣＬＯＣＡＬｌ （２） 数据重发。当监控中心收到数据的格式有误， 或者技术人员怀疑数据在传送过程中出现错误时，通过 ４．３监测中心与ＧＰＲＳ数据传输单元之间的通 讯 监测中心的计算机如果连接到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，监测系统 ＧＰＲＳ网络向监测站发出指令“重发数据”，监测站监测 到此指令后会重新发送测得的数据。数据重发次数超 的监测中心端通过相应的配置从Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上接收到远程 出限定的次数时，系统进行相应的提示。 监测站发回的数据。如果监测中心的计算机没有连接 （３） 确认数据收到。当监测中心成功收到数据后， 到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，将监测中心计算机的串口与ＧＰＲＳ数据传输 需要通过ＧＰＲＳ网络向监测站发送指令“确认数据已收 单元的串口相连，通过对系统的监测中心端和ＧＰＲＳ数 到”，使得监测站进入睡眠状态，以便于节省能耗。 据传输单元进行相应的配置，可以接收到远程监测站发 水文数据监测系统的总体流程图如图３所示。 回的数据。 ４．２监测站ＵＡＲＴ１与ＧＰＲＳ数据传输单元之 间的通讯 ５ 水文数据监测系统测试 按照传输协议对串口进行初始化，设置数据传输的 通过转子式流速仪采集信号，将此系统应用到水文 波特率、数据位、停止位、奇偶校验等参数。部分程 数据的远程采集及传送，用来测试本系统。 序如下： ５．１监测中心 监测中心的计算机通过ＧＰＲＳ数据传输单元或者 ＳｅｒｉａｌＳｐｅｅｄ（”１ １５２００”）；／／串口波特率选为１ １５２００， Ｉｎｔｅｒｎｅｔ给远程监测站发出测量、重发数据、确认数据 此处可以改变波特率 已收到等命令。远程监测站的ＧＰＲＳ数据传输单元接收 ｉｎｔ ＤｅｖｉｃｅＳｐｅｅｄ＝ＳｅｆｉａｌＳｐｅｅｄ（”１１５２００”）Ｉ 到命令后，通过串口将命令传达给监测站的ＡＲＭ处理 ｉｎｔ ＴｔｙＳｐｅｅｄ＝ＳｅｒｉａｌＳｐｅｅｄ（”１ １５２００”）Ｉ 器，由ＡＲＭ处理器协调各个设备完成相应的操作后将 ｉｎｔ ＢｙｔｅＢｉｔｓ：ＣＳ８ｌ 结果发送给监测中心。如图４所示。 ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ＊ＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ＝”／ｄｅｖ／ｔｔｙＳＡＣ １”ｌ／／ 使用串口ＵＡＲＴ１ ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ＊ＴｔｙＮａｍｅ＝”／ｄｅｖ／ｔｔｙ”ｌ 系统与ＧＰＲＳ数据传输单元串口之间的数据传送， 通过对串口的读写来实现。本程序通过对ＣｏｍｍＦｄ进 行读写操作来实现对串口的读写。部分程序如下： 图４ 监测中心选择终端操作类型 ５．２测试结果 ＣｏｍｍＦｄ＝ｏｐｅｎ（ＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ，０一ＲＤＷＲ，０）Ｉ ｍｅｍｓｅｔ（＆ＴｔｙＡｔｔｒ，０，ｓｉｚｅｏｆ（ｓｔｒｕｃｔ ｔｅｒｍｉｏｓ））ｌ／／内 存空间初始化 ＴｔｙＡｔｔｒ．ｃｆｌａｇ＝ＩＧＮＰＡＲ； ＴｔｙＡｔｔｒ．ｃ＿ｃｌｆａｇ＝ＤｅｖｉｃｅＳｌ：￣ｘｔ Ｉ ＨＵＰＣＬ ｌ ＢｙｔｅＢｉｔｓ Ｊ ＣＲＥＡＤ ｌ ＣＬＯＣＡＬＩ 倩膏截ｔ ２２ ＴｔｙＡｔｔｒ．ｃ—ｃｃ【ＶＭＩＮ】＝１ ｌ／／非规范模式读取时 图５ 测量时间为３０Ｓ时，得到的测量结果 （下转第７５页） 行业应用与交流 ｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ＣＯｍｍｕｎｉｃａｌｉＯｎｓ 《自动化技术与应用》２０ｌ１年第３０卷第９期 Ｓｔｕｄｉｏ４软件上编写程序，ＤＨＴ １ １的驱动程序写好后，通 过设置断点的形式运行程序，从而检测时序的准确性， 经过最后细心的软硬件调试，结果表明系统成功工 作，可以实时监控环境的温湿度，而且通过液晶界面显 示，并实时声效报警及ＬＥＤ闪烁报警。 在过程中观察各个变量的变化，查找所写程序的错误， 并改正。经过不断的调试，写出ＤＨＴＩ １的驱动函数。同 时，结合系统的支持的程序，写出系统主程序，最后生成 ｈｅｘ文件，并通过ＡＶＲ ｆｉｇｈｔｅｒ芯片烧写软件，把ｈｅｘ文 件烧入ｍｅｇａ１６芯片中。 参考文献： 【ｌ】马潮．ＡＶＲ单片机嵌入式系统原理与应用实践［Ｍ】．北 京：航空航天大学出版社，２００７． 【２】胡汉才．高档ＡＶＲ单片机原理及应用［Ｍ】．北京：清华大 ６．２硬件调试 学出版社，２００８，２． 硬件调试包括ＤＨＴ１ １传感器电路、显示电路、单 【３】杨正忠，耿德根．ＡＶＲ单片机应用开发指南及案例精解 片机外围电路、声光报警电路等。硬件电路焊接完毕 ［Ｍ】．北京：电力出版社，２００８． 后，插上系统芯片，检查无误后，通电，查看硬件电路的 ［４】黄永俊，张学中，谢新港．单片机嵌入式系统的可靠性探 功能。温湿度传感器是采集环境的温湿度发送给单片 讨［Ｊ］．农机化研究，２００５，（３）：８９－９１． 机，设定威胁值，不断的进行比较，如果检测到的温度超 ［５】苟加志．单片机测控系统抗干扰设计【Ｊ】．重庆工商大学学 报（自然科学版），２００５，２２（１）：５９－６２． 过或低于设定值就提示报警，按照电路要实现的功能， 在调试时，用手捏住Ｄ Ｈ Ｔ １ １传感器或者放杯热水在 ＤＨＴＩ Ｉ传感器旁边，同时查看液晶显示的温湿度值是否 改变，若没有改变，则可能是程序或者硬件电路出现问 题。若出现功能，且灵敏度跟设想相近，则可初步判断， 软硬件设计成功。 ７ 结束语 作者简介：陈龙（１ ９ ８ ３一），男，硕士研究生，研究方向：自动控 制系统工程。 （上接第６９页） 设置测量时间为３０秒・在控制台上可以得到的测量 证数据的准确可靠性、实时性，以及系统的稳定性。 结果如图５所示。 该系统在自然灾害尤其是洪涝灾害的预警及抗洪 监测中心收到的数据格式如图６所示。 减灾方面具有一定的参考价值。 参考文献： ． ［１】姚永熙主编．水文仪器与水利水文自动化【Ｍ】．天津：河 图６ 监测中心收到的数据 海大学出版社，２００１． 将测量时间和信号数分离出来，将参数水利螺距Ｋ、 【２］赵晋琴．基于ＧＰＲＳ技术的无线远程抄表系统设计与实 每信号转数ｎ、校正量Ｃ，代入公式 现【Ｊ】．重庆理工大学学报：自然科学，２０１０，（１１）：８９－９２． 【３】景秀眉，杨凯，吕明祥．基于ＧＰＲＳ技术的环保在线检测 Ｖ＝Ｋ木Ａ木ｎ／ ＋Ｃ即可计算出流速，通过部分 系统的设计［Ｊ］．通信技术，２００８，４１（７）：２６２—２６４． 面积法可以计算出流量。 ［４】赵毅，孙剑锋，孙文瑶等．基于嵌入式系统和ＧＰＲＳ技术 的远程自动抄表系统［Ｊ］．科技资讯，２０１０，（３２）：１０． ６ 结束语 针对水文数据采集的特点，结合嵌入式系统和 ＧＰＲＳ技术的优势，成功建立了一个无线远程数据采集 与传送的系统。通过系统测试，证明了该系统的可行 作者简介：苗立江（１ ９ ８ ５一），男，硕士研究生，研究方向：计算 性，通过分析系统测试得到的数据结果，该系统能够保 机控制与自动化仪表。